“Aturan Emas” untuk membangun massa atom

Model jam menunjukkan kesejajaran putaran antara jarum jam (hBN atas), jarum menit (graphene tengah), dan jarum detik (hBN bawah). Kombinasi hBN atas, graphene tengah, dan hBn bawah menghasilkan struktur kisi super-riak di tengah jam tangan. Kredit: Universitas Nasional Singapura

Fisikawan telah mengembangkan teknik untuk menyelaraskan kisi-kisi ultra-bergelombang secara tepat, merevolusi kemungkinan materi kuantum bergelombang generasi berikutnya.

Fisikawan di National University of Singapore (NUS) telah mengembangkan teknik untuk secara tepat mengontrol keselarasan superlattice bergelombang menggunakan seperangkat aturan emas, yang membuka jalan bagi generasi berikutnya dari materi kuantum bergelombang.

Klem Supermoire

Pola Moiré terbentuk ketika dua struktur periodik identik ditumpangkan dengan sudut puntir relatif di antara keduanya atau dua struktur periodik berbeda tetapi ditumpangkan dengan atau tanpa sudut puntir di antara keduanya. Sudut torsi adalah sudut antara orientasi kristalografi kedua struktur. Misalnya kapan Grafena Boron nitrida heksagonal (hBN) adalah bahan berlapis yang bertumpuk satu sama lain, dan atom-atom dalam kedua struktur tersebut tidak sejajar dengan sempurna, sehingga menciptakan pola pinggiran interferensi, yang disebut pola moiré. Hal ini mengarah pada rekonstruksi elektronik.

Pola moiré dalam graphene dan hBN telah digunakan untuk membuat struktur baru dengan sifat eksotik, seperti arus topologi dan keadaan kupu-kupu Hofstadter. Ketika dua pola moiré ditumpuk, struktur baru yang disebut jaring moiré tercipta. Dibandingkan dengan material bergelombang tunggal tradisional, jaringan super bergelombang ini memperluas jangkauan sifat material yang dapat disetel sehingga memungkinkan penggunaan potensial dalam rentang aplikasi yang lebih luas.

Prestasi Departemen Fisika Universitas NUS

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Ariando dari Departemen Fisika di Universitas Nasional Singapura telah mengembangkan teknik dan berhasil mencapai keselarasan terkendali jaringan supermoire hBN/graphene/hBN. Teknik ini memungkinkan susunan dua pola moiré secara tepat, satu di atas yang lain. Sementara itu, para peneliti juga merumuskan “aturan emas tiga” untuk memandu penggunaan teknik mereka dalam menciptakan jaringan super-ripple.

Hasilnya baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Komunikasi Alam.

Ilustrasi artistik superlattice dengan sudut bengkok (θt dan θb) terbentuk antara graphene dan lapisan atas boron nitrida heksagonal (T-hBN) dan lapisan bawah boron nitrida heksagonal (B-hBN). Sedikit ketidaksejajaran menghasilkan pembentukan pola jaring super bergelombang. Kredit: Komunikasi Alam

Tantangan dan solusi

Ada tiga tantangan utama dalam menciptakan jaringan graphene ultra-ripple. Pertama, penyelarasan optik konvensional sangat bergantung pada tepi lurus graphene, namun menemukan wafer graphene yang sesuai memakan waktu dan tenaga; Kedua, meskipun sampel graphene dengan tepi lurus digunakan, terdapat kemungkinan 1/8 yang rendah untuk mendapatkan kisi superripple sejajar ganda, karena ketidakpastian asimetri tepi dan simetri kisi. Ketiga, meskipun simetri tepi dan simetri jaring dapat ditentukan, kesalahan penyelarasan seringkali besar (lebih besar dari 0,5°), karena secara fisik sulit untuk menyelaraskan dua bahan jaring yang berbeda.

Junxiong Hu, penulis utama makalah penelitian ini, mengatakan: “Teknologi kami membantu memecahkan masalah kehidupan nyata. Beberapa peneliti mengatakan kepada saya bahwa biasanya diperlukan waktu sekitar satu minggu untuk mengambil sampel. Dengan teknologi kami, mereka tidak hanya dapat mempersingkat waktu produksi, namun juga meningkatkan secara signifikan Ketepatan dari sampel.”

Wawasan artistik

Para ilmuwan awalnya menggunakan “teknik rotasi 30 derajat” untuk mengontrol kesejajaran lapisan atas hBN dan graphene. Mereka kemudian menggunakan “teknik inversi” untuk mengontrol kesejajaran lapisan hBN atas dan lapisan hBN bawah. Berdasarkan dua metode ini, mereka dapat mengontrol simetri kisi dan menyesuaikan struktur pita superlattice graphene. Mereka juga menunjukkan bahwa tepi grafit yang berdekatan dapat berfungsi sebagai panduan untuk penyelarasan tumpukan. Dalam penelitian ini, mereka membuat 20 sampel moiré dengan akurasi lebih dari 0,2 derajat.

Profesor Ariando berkata: “Kami telah menetapkan tiga aturan emas untuk teknologi kami yang dapat membantu banyak peneliti di komunitas material 2D. Pekerjaan kami juga diharapkan dapat memberikan manfaat bagi banyak ilmuwan yang bekerja pada sistem lain yang sangat saling berhubungan seperti graphene bilayer bengkok sudut ajaib atau graphene multilayer bertumpuk ABC. Melalui peningkatan teknis ini, saya berharap dapat mempercepat pengembangan materi gelombang kuantum generasi berikutnya.

Upaya masa depan

Saat ini, tim peneliti memanfaatkan teknologi ini untuk membuat jaringan graphene super-riak satu lapis dan mengeksplorasi sifat unik dari sistem material ini. Selain itu, mereka juga memperluas teknik yang ada saat ini ke sistem fisik lain, untuk menemukan fenomena kuantum baru lainnya.

Referensi: “Penyelarasan terkontrol kisi gelombang super dalam heterostruktur graphene sejajar ganda” oleh Junxiong Hu, Junyou Tan, Mohamad M. Al Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe , Takashi Taniguchi, Andrew Thi Chien Wei, Shafik Adam dan A. Ariando, 12 Juli 2023, Komunikasi Alam.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5